導向母錐在水文地質鉆孔斷鉆桿事故處理中的應用

裴森龍，李博，李高，侯朝勇

（1.有色金屬礦產地質調查中心，北京 100012；2.核工業北京地質研究院，北京 100029）

0 引言

鉆探施工過程中受主觀人為因素或客觀地層因素影響，時有卡鉆、跑鉆、燒鉆、埋鉆以及斷鉆桿等孔內事故發生，嚴重影響施工進度并造成一定程度的經濟損失（王達等，2007；蔣偉祥和倪鑫，2009；王達和何遠信，2014；宋世杰等，2016；孫建華等，2017）。隨著經濟社會的發展，大口徑鉆孔在礦山環境恢復治理回填、礦井事故救援、煤礦瓦斯排放、水文地質等方面應用日益廣泛（杜兵建，2009；楊引娥，2013；楊濤和杜兵建，2017）。在大口徑鉆孔施工時，鉆桿和鉆孔之間的環狀間隙較大，由于鉆桿質量缺陷、金屬疲勞老化或施工人員操作不當等原因更容易導致斷鉆桿事故發生（姜光忍等，2009；龐少青等，2013；田志超等，2017）。大口徑鉆孔斷鉆桿事故中因鉆具和鉆孔之間的間隙大，鉆桿事故頭經常產生貼壁現象，使得事故的處理難度加大，常規的公錐、母錐等打撈工具往往無法有效地處理事故（程林等，2020），應及時分析事故原因并結合現場實際情況因地制宜采取有效的措施妥善處理，避免造成額外的損失（劉瑞琪，1982）。

在山西省太原市的一次水文地質鉆孔施工中發生一起斷鉆桿事故，該事故具有鉆孔口徑大、鉆桿與鉆孔之間環空間隙大等特點，鉆桿在事故后產生貼壁現象，打撈事故頭困難，鉆探技術人員使用自制的導向母錐打撈工具成功處理了該事故，最終鉆孔得以順利終孔，挽回了一定的經濟損失，對此類環空間隙較大的孔內斷鉆桿事故的處理可以起到一定的借鑒和啟發作用。

1 工程概況

1.1 工程地質

SZK1水文地質鉆孔位于山西省太原市小店區劉家堡鄉西里解村，工作區交通便利。太舊高速公路、東山過境高速公路、南過境高速公路、108國道、208國道、大運路、石太線、南同蒲鐵路等公路、鐵路交通干線縱橫交錯，連接全省各地，太原至澳門高速公路太原至長治段出入口也在小店區。施工鉆孔隸屬于太原-晉中城市群活動斷層及資源環境綜合地質調查項目，設計該鉆孔的目的是為了查明區域內水資源與質量、地質構造條件、含水層結構及水文地質條件，查明中深層地下水資源量，評價地下水資源開發潛力。

鉆孔施工地層為第四系，水位19.87 m。全孔鉆經全新統、上更新統、中更新統、下更新統，代表性巖心照片見圖1，詳細地層巖性情況如下：

圖1 太原市小店區SZK1鉆孔代表性巖心照片

全系統：巖性以亞砂土為主，河流在出山口不遠堆積巨大的漂石、卵石及砂礫石，河床底部為基巖或上新統紅土、灰綠色粘土，接近邊山丘陵區為亞砂土夾礫砂，厚度35 m左右。

上更新統：巖性為褐黃、灰黑和黃紅色亞砂土、亞粘土夾砂礫石，結構較疏松，具大孔隙，垂直節理發育，表面經風化呈微紅色，厚度45 m左右。

中更新統：巖性為灰黃色粘土、亞粘土、亞砂土、灰黑色粉細砂和中砂以及部分卵石、礫砂，穩定性比上更新統地層差，厚度為70 m左右。

下更新統：以灰、灰黑、灰黃色粘性土為主夾薄層粉細砂層，厚度50 m左右。

SZK1鉆孔設計深度200 m，鉆孔傾角90°。取心鉆探施工采用的工藝為小口徑正循環回轉鉆進，取心方式為單管提鉆取心，使用泥漿護壁；成井方法為在小口徑取心孔的基礎上大口徑正循環擴孔成井，使用泥漿護壁。取心孔徑設計為Φ127 mm，成井孔徑設計為Φ300 mm。終孔后按要求進行物探測井并下入濾水管進行抽水試驗。

1.2 施工設備

鉆孔施工采用XY-5型車載式立軸鉆機（圖2），該鉆機具有扭矩大、轉速范圍寬、地層適應性廣、處理事故能力強、搬遷方便等優點，鉆機主要性能參數見表1。

表1 XY-5型車載式立軸鉆機主要性能參數表

圖2 XY-5型車載鉆機

2 事故概況及事故原因分析

2.1 事故概況

2019年8月27日SZK1鉆孔Φ127 mm口徑取心鉆進開孔，2019年9月3日鉆進至設計孔深后終孔，終孔孔深201.71 m。2019年9月21日Φ300 mm口徑擴孔鉆進開鉆，2019年9月28日鉆進至160.15 m孔深時發生斷鉆桿事故，事故頭位于122.21 m孔深處，第26根單根與第27根單根上部接手連接處螺紋擰斷（圖3）。

圖3 打撈上的鉆桿事故頭

事故發生后立即將事故鉆桿提出鉆孔，孔內剩余8根單根鉆桿及一根3 m長鉆具和60 cm長自制擴孔鉆頭組合。因鉆孔擴孔口徑為Φ300 mm，配套使用的鉆桿為Φ60 mm鉆桿，鉆桿與鉆孔孔壁環狀間隙較大，斷鉆桿后孔內事故頭容易向孔壁偏斜，導致多次下入母錐嘗試打撈事故頭失敗。

2.2 事故原因分析

結合施工實際情況分析，導致此次斷鉆桿事故發生的原因主要有以下幾點：

（1）擴孔時使用的鉆桿尺寸與擴孔口徑不配套，大口徑擴孔時鉆桿承受的扭矩大，該鉆孔擴孔口徑為Φ300 mm，而事故發生時使用的鉆桿直徑為Φ60 mm，抗扭剛度小，應使用Φ73 mm以上的鉆桿進行擴孔。

（2）現場使用的鉆桿使用時間過長，部分鉆桿老化，尤其螺紋處因反復擰卸已發生金屬疲勞過度磨耗，一旦扭矩過大容易發生折斷（李繼文等，2010；王廷睿等，2011；李孔榮，2015）。

（3）現場操作人員責任心不強（李振學，2002；李偉雄，2016），沒有仔細檢查每根鉆桿，致使“帶病”鉆桿下入孔內，導致事故發生。

（4）施工地層主要為粘土層，地層較軟，擴孔時未能控制好鉆機轉速，進尺速度過快，發生強扭現象導致鉆桿折斷。

3 事故處理經過

吸取前幾次打撈失敗的教訓，并對孔內狀況及打撈過程進行多次模擬分析，認為前幾次打撈失敗主要是由于鉆桿與孔壁之間的環狀間隙較大，導致斷鉆桿事故發生后孔內事故鉆桿發生傾斜，常規的母錐無法精確找到事故頭,并將事故頭吃入母錐體內，因此無法實現成功打撈（姜同升等，2013；李孔榮，2015）。總結經驗，結合施工現場狀況，決定針對大口徑鉆孔設計一種帶有導正裝置的新型母錐，通過導向筒裝置減小環空間隙增加打撈工具的搜索面積，從而將事故頭順利地由喇叭口處引導至母錐內部，進一步利用母錐造扣并打撈事故鉆桿。

3.1 導向母錐制作加工

3.1.1 導向母錐設計及材料準備

導向母錐的結構設計為普通Φ60 mm母錐椎體上連接大口徑錐形導向筒，導向筒上預留3～4個水口，整體結構較簡單，便于現場加工和使用。

為滿足設計使用效果，錐形導向筒直徑應與鉆孔直徑相匹配，直徑過大可能造成打撈工具下入孔內時發生卡鉆現象，直徑過小則會導致無法有效將事故頭成功引導至母錐內部。SZK1水文地質鉆孔斷鉆桿事故頭位置擴孔口徑為Φ300 mm，為使母錐可以順利下入孔內，錐形桶喇叭口處（錐形桶最大直徑位置）直徑設計為Φ220 mm左右。

錐形桶加工原材料選用現場易于獲取的3～4 mm厚的鐵皮板，厚度適中不易變形，且方便現場焊接。

3.1.2 導向母錐加工

（1）將普通Φ60 mm母錐椎體與配套的鉆桿轉換接手連接緊密。

（2）將3～4 mm的鐵皮板用切割機切割成若干塊梯形形狀，梯形塊高度200 mm左右，上下底寬度視實際情況而定，不宜過寬，將梯形塊彎卷成適當弧度的圓弧形。

（3）將多塊梯形鐵皮板拼湊好并焊接成錐形，焊接過程中及時調整梯形塊大小和弧度，使得最終焊接成型的錐形桶喇叭口外徑為220 mm左右，錐形桶小徑處直徑略大于母錐外徑。

（4）將焊接成型的錐形桶與母錐椎體連接并焊接牢固，焊接完成后使用角磨機將錐形桶打磨光滑，以免在起下鉆過程中與孔壁產生刮蹭。全部加工完成后對導向椎體的焊接強度進行檢查，確保打撈工具的使用可靠性?，F場加工完成的導向母錐如圖4所示。

圖4 導向母錐

3.2 斷鉆桿事故處理

事故處理前首先準確確定事故頭具體位置位于122.21 m孔深處，并仔細檢查每一根準備下入孔內的鉆桿性能，尤其是最薄弱的絲扣位置的狀態，切忌將破損鉆桿再次下入孔內發生二次事故。

在母錐絲扣處涂抹黃油后，將導向母錐與鉆桿連接可靠，下入孔內。下鉆時放慢速度，保持鉆桿穩定，防止導向母錐喇叭口在下鉆過程中掛蹭孔壁，導致巖屑掉落孔底發生埋鉆。在距事故頭1 m左右時停止下鉆，開泥漿泵循環，緩慢下降鉆桿至導向母錐到達事故頭位置，多次轉動鉆桿搜索后，將事故頭慢慢引導至喇叭口內并進入母錐椎體，用管鉗扳動鉆桿輕壓慢轉造扣。

需要特別注意的是不能一次造扣到位，防止孔內事故鉆桿發生埋鉆現象無法上提鉆桿時，因吃扣過多導致打撈工具無法脫扣增加進一步處理事故的難度。初始造扣時應先少量造扣，吃扣后嘗試提鉆弄清孔內鉆桿狀況，若能夠提起則進一步造扣，當有明顯吃扣跡象時，開機掛低檔利用立軸稍加壓繼續慢轉吃扣，造扣深度足夠時提鉆打撈，完成事故處理工作。若無法提鉆則孔底已發生埋鉆現象，需要采取擴孔等其他措施處理事故。SZK1鉆孔未發生埋鉆現象，造扣后完成后成功處理了該起斷鉆桿事故。

4 討論

該起大口徑水文地質鉆孔斷鉆桿事故通過在鉆孔內下入自制的錐形導向母錐打撈工具得以處理成功，研究此次事故處理方法及過程，取得了一些經驗，但仍有一些不足之處可以進一步完善：

（1）SZK1鉆孔通過自制錐形母錐導向筒完成了事故頭的搜索與扶正，事實上搜索過程并不輕松，在類似事故處理時采用打撈偏鉤（圖5）（周全興，2002；程林等，2020）配合導向筒更容易搜索到事故頭，可在導向母錐導向筒上加接打撈偏鉤，使用時將打撈偏鉤下入至事故頭下1 m左右位置，旋轉打撈偏鉤扶正事故鉆桿然后使事故頭順著導向筒進入母錐內部進一步造扣提鉆。

圖5 打撈偏鉤示意圖（據程林等，2020）

（2）事故處理使用的導向筒使用不當容易在下鉆過程中刮蹭孔壁產生大量巖屑，存在埋鉆風險，可以對導向母錐錐形導向筒進一步優化設計，將導向筒喇叭口邊緣設計為向上翻卷的圓弧形，減少下鉆過程中刮蹭孔壁產生的巖屑，降低埋鉆風險。

5 結論與建議

（1）斷鉆桿事故多發生在絲扣連接處，施工中應使用加工工藝好、材料強度高且與鉆孔孔徑相匹配規格的鉆桿。鉆孔事故重在預防，在日常鉆探施工中應加強對鉆機、鉆桿等設備管材的維修、保養，發現設備問題應及時維修，損耗嚴重的鉆桿做好標記，嚴禁下入孔內。

（2）斷鉆桿事故發生后切忌盲目處理，首先要詳細了解事故發生的原因和事故頭的具體位置，制定好詳細的處理方案后再打撈，以免處理不當造成事故惡化。

（3）導向母錐配合打撈偏鉤使用可以很好地解決因鉆孔環空間隙大而無法找到事故頭的問題，在處理類似大口徑斷鉆具、鉆桿事故中可以得到很好的應用。在初始造扣時應利用工具人工旋轉鉆桿少量造扣后試提鉆弄清孔底鉆桿狀況后再進一步處理，不宜一次造扣到位以免孔底埋鉆情況下無法脫扣增加后續處理的難度，造扣時嚴禁開車高速旋轉，防止將打撈工具折斷。

（4）導向筒的喇叭口邊緣建議設計為向上翻卷的圓弧形，減少下鉆過程中產生的巖屑，降低處理過程中的埋鉆風險。